7. Синхронные машины

P η

P1

малых

значениях

коэффициента

загрузки

КПД возрастает

почти

P2

линейно вследствие низких

пере-

η

менных потерь. При их возраста-

нии

рост

КПД

замедляется.

У большинства генераторов

КПД

максимален при коэффициенте за-

грузки kЗmax = 0,6–1,0.

Дальнейшее

увеличение на-

рхх

грузки

генератора

(kЗ > kЗmax)

уменьшает КПД машины из-за бо-

0

kз

лее быстрого

роста

переменных

0,5

1,0

Рис. 7.20. Зависимость КПД и мощности

потерь рк пропорциональных квад-

синхронного генератора от загрузки

рату загрузки.

При

изменении нагрузки

в пределах kЗ = 0,25–1,0 КПД остаётся высоким, отличаясь от максимального не более чем на 0,01–0,05, то есть машина работает с достаточно высокими энергетическими показателями.

С увеличением номинальной мощности генераторов КПД достигает 98,85 % и 98,5 % у турбо- и гидрогенераторов соответственно.

Повышение коэффициента мощности увеличивает КПД генераторов (рис. 7.20), так как при одинаковом токе якоря активная мощность Р2 стремится к полной S, а суммарные потери Σp неизменны.

На рис. 7.20 представлены зависимости мощности механической (потребляемой Р1) и электрической (полезной Р2). При полезной мощности, равной нулю, потребляемая мощность равна потерям холостого хода и изменяется с изменением коэффициента загрузки в зависимости от изменения КПД.

7.8. Параллельная работа синхронных машин

На любой электростанции, как правило, устанавливают несколько генераторов, включенных на параллельную работу в общую сеть. В современных энергосистемах на общую сеть работает целый ряд электростанций, и поэтому параллельно на общую сеть работает большое число синхронных генераторов.

При параллельном включении генераторов на электростанции энергия может быть трансформирована с помощью общих трансформаторов и передана к потребителям по общим линиям передачи. Значительно по-

312

7. Синхронные машины

вышается надежность работы станции, и создается возможность проведения ремонта генераторов без отключения потребителей. При аварийном выходе из строя и при проведении плановых ремонтных работ на одном из генераторов электрическая энергия производится другими энергоблоками. Включение в энергосистему ряда электростанций, использующих различные источники энергии (ТЭС, ГЭС, АЭС), дает большой экономический эффект.

Работа таких энергосистем достаточно сложна, поскольку при любых колебаниях нагрузки у потребителей в системе должны поддерживаться номинальная частота и напряжение. Управление такой системой производится из центрального диспетчерского управления, дается команда на включение в систему или отключение отдельных генераторов, изменение активной и реактивной мощностей работающих генераторов.

При достаточно большой мощности электрической системы по сравнению с мощностью рассматриваемой машины мощность системы считают бесконечно большой мощностью, т. е. изменение режима работы отдельного генератора или его отключение (включение) не отражается на работе всей системы.

Включение генераторов на параллельную работу с сетью. Все параллельно работающие генераторы должны отдавать в сеть ток одной частоты. Поэтому их вращение должно быть строго синхронно, т. е. частоты вращения в точности обратно пропорциональны числам пар полюсов:

n	=	f	;	n	=	f	;	n	=	f	. . . ,
1		p1		2		p2		3		p3

а скорости вращения генераторов с одинаковыми числами полюсов должны быть строго одинаковы.

При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работы электрической системы. Для этого необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на холостом ходу перед включением его на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить его в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генераторов.

Идеальные условия для включения генератора на параллельную работу достигаются при соблюдении следующих требований:

1)напряжение генератора UГ (ЭДС Ef ) равно напряжению сети UC;

2)частота ЭДС генератора f равна частоте напряжения сети fC;

3)чередование фаз генератора А, В, С и сети Ас, ВС, СС одинаково;

4)напряжения генератора UГ и сети UC должны быть в фазе.

313

7. Синхронные машины

Е0 = Uг

	U	с−г
Φ0

Iур Φур

Uс

Рис. 7.21. Уравнительный ток при невыполнении первого условия синхронизации

		Uс		Uс		U = 2Uс
ωс			ωс		U
						U
			= 0		ω
		Iб				г	Uс
			ω	Iб		ωс
						ω	Iб
					Uг
Е	0	=U	г
		а		б			в

Рис. 7.22. Ток биений при невыполнении второго условия синхронизации

Пренебрежение одним из этих условий приводит к появлению различной величины уравнительных токов, а при различных частотах – токам биений, исключающих возможность параллельной работы. Так, при равенстве частот, но неравенстве ЭДС генератора Ег и напряжения сети Uc (Ег > Uc) потечет уравнительный ток

Iс−г =	U	с	+ Е
			г	,	(7.82)
	Zс − Zг

отстающий от результирующего напряжения ∆U почти на угол 90º (так как в синхронных машинах х >> r и угол φ = arctg rx ≈ 90º). Уравнение с уче-

том изложенного упрощают, полагая, что

Iс−г =	U	.	(7.83)
	xс − хг

Под ∆U понимают арифметическую разность между ЭДС генератора и напряжением сети. На диаграмме (рис. 7.21) уравнительный ток Iс−г для

генератора является размагничивающим, уменьшающим его выходное напряжение.

Случай равенства ЭДС при неравных частотах (fГ > fc) удобно рассмотреть, остановив на диаграмме рис. 7.22 вектор напряжения сети и вращая вокруг него вектор ЭДС генератора с частотой n, пропорциональной разности частот fГ – fc. В моменты противофазного положения векторов ЭДС генератора и напряжения сети (угол α = 180º) геометрическая сумма их равна нулю и уравнительный ток отсутствует. При совпадении этих векторов (угол α = 0º) геометрическая сумма их равна удвоенно-

314

7. Синхронные машины

му значению ЭДС генератора (или удвоенному значению напряжения сети), а уравнительный ток равен току короткого замыкания.

В некотором среднем положении вектора ЕГ (0 < α < 180º) относительно вектора напряжения сети Uс результирующее напряжение определится вектором ∆U, а вызванный им ток (ток биений) – вектором Iб. Этот

ток, изменяясь от нуля до тока короткого замыкания, вызывает биения напряжения и мощности. В отличие от уравнительного тока ток биений мо-

жет иметь активную составляющую Iаб, и, следовательно, биения мощно-

сти в электрической части установки передаются в механическую (первичным двигателям, турбинам). Параллельная работа генераторов с различными частотами оказывается невозможной.

При нарушении порядка чередования фаз также неизбежно появление уравнительных токов. В момент времени, представленный диаграммой рис. 7.23, токи в фазах В отсутствуют, но токи в фазах А и С достаточно велики: они определяются линейным значениями ЭДС (напряжения):

Iб =		3Е0
			.	(7.84)
	х	+ х
	г	с

При нарушении порядка чередования фаз параллельная работа генераторов невозможна, поскольку МДС возбуждения и якоря вращаются в противоположных направлениях и не образуют результирующего магнитного поля машины, вращающегося с синхронной скоростью.

В результате кратковременного взаимодействия встречно вращающихся МДС якоря и возбуждения возникают знакопеременные силы и моменты большой величины, которые вызывают шумы, вибрации и могут привести к повреждению машины, а токи обмотки якоря в 2–10 раз превышают номинальные.

Если вместо одноименных зажимов объединить разнополярные, то ЭДС генератора и напряжение сети будут складываться, как при последовательном включении источников тока (рис. 7.24, а). В замкнутом контуре

действует напряжение

U = E

+U

= 2U

(при

E

=U

с

), оно вызовет

г

с

c

г

уравнительный ток, равный току короткого замыкания,

Iур = Iк =

Uc

2Uc

Uc

(7.85)

= 2x

= x

х

г

+

х

г

г

с

при равенстве сопротивлений генератора и сети (рис. 7.24, б), и больше тока короткого замыкания при сопротивлении сети, меньшем сопротивления генератора, при мощности сети, превышающей мощность генератора. Параллельная работа генераторов в этом случае невозможна.

315

7. Синхронные машины

UВс

Хг

Ас

U = 2Uс

U Аг ωC

UСг

U

г

U

с

U

U

Uг

Uс

Iур

Iур

ω UСс

Аг

Х

U Ас

с

а

б

UВг

Рис. 7.23. Напряжения при невыполне-

Рис. 7.24. Уравнительный ток при

нии третьего условия синхронизации

невыполнении четвертого условия

синхронизации

~Uс
fс
V	K

A B C

Uг

Fг

+

~Uc
fc
V	K
	A	B	C
			б

	I f	Uf		Рис. 7.25. Включение синхронного генератора
				в сеть способом точной синхронизации: а – схема
			–	на погашение ламп; б – схема на «свет»
		а

Таким образом, включение генератора в систему проходит наиболее благоприятно, если оно производится при α = 180º, когда ∆Uг-с = 0

и Eг = −Uс . В этом случае переходные токи в обмотке якоря не возникают.

После включения генератора на параллельную работу с сетью ток якоря остается равным нулю, и генератор работает в режиме холостого хода

( I = 0). Описанный способ включения генератора на параллельную работу с сетью называется точной синхронизацией. Простейшая схема реализации способа точной синхронизации с помощью лампового синхроноскопа представлена на рис. 7.25. При включении ламп по схеме рис. 7.25, а и выполнении всех четырех условий синхронизации ни одна из ламп гореть не

316

			7. Синхронные машины
будет. При неравенстве ЭДС и частот, а также при различном порядке че-
редования фаз лампы будут мигать или создавать впечатление бегущего по
кругу огня.	U = (0,2−0,4)Uс. Для более точ-
Лампы загораются и потухают при
ного определения величины U и выбора момента включения параллельно
одной из ламп включают нулевой вольтметр V, а ламповый синхроноскоп
заменяют стрелочным. Регулируют частоту вращения ротора так, чтобы
период мигания ламп был достаточно большим (3−20 с), и контакты вы-
ключателя K замыкают в момент подхода стрелки вольтметра к нулю,
а стрелки синхроноскопа – к отметке на его шкале, включая таким образом
генератор при отсутствии толчков тока.
Помимо указанной на рис. 7.25, а схемы синхронизации на «темную»
существует другая, более удобная схема «на свет». При включении ламп
по схеме рис. 7.25, б синхронный ход машины будет подтвержден двумя
ярко горящими лампами (от линейного напряжения) при одной погасшей.
Достоинством схемы синхронизации «на свет» состоит в том, что она дает
возможность по направлению вращения света ламп видеть, отстает по ско-
рости включаемая машина или опережает ее.
Основное преимущество точной синхронизации − возможность
включения генератора без бросков тока в обмотке якоря. Недостатки такой
синхронизации – сложность, длительное время синхронизации, возмож-
ность ошибочных действий операторов, особенно в условиях аварии, когда
требуется быстро выполнить повторное включение генератора. Для уско-
рения включения генераторов используют грубую синхронизацию (само-
синхронизацию).
Для возможности включения генераторов методом грубой синхрони-
зации необходимо выполнение двух условий:
1) чередование фаз генератора А, В, С и			~UC
сети АС, ВС, СС одинаково;
2) напряжения генератора UГ и сети UC		K1
должны быть в фазе.		A	B	C
Перед включением в цепь обмотки воз-
буждения включают гасительное сопротивле-				AГП
ние RГ (рис. 7.26) с помощью автомата гашения
				K3	+
поля (АГП).
				Rг
Сущность грубой синхронизации заклю-			ОВ		Uf
чается в том, что ротор невозбужденного гене-				K2
ратора (на рис. 7.26 контакт K2 замкнут, K3 ра-					–
зомкнут) разгоняют приводным двигателем или		Рис. 7.26. Схема включения
турбиной до скорости, близкой к синхронной		генератора способом грубой
n = (0,95–0,99)n1, и включают в сеть, замыкая			синхронизации
					317

7. Синхронные машины

контакты выключателя K1. Под действием напряжения сети в обмотке якоря появится ток, который образует МДС якоря Fa, вращающуюся с часто-

той n1 = f1/p.

Замыкая контакты K3 и размыкая K2, обмотку возбуждения генератора соединяют с возбудителем и устанавливают такое напряжение возбудителя Uf , при котором ЭДС обмотки якоря на холостом ходу Ef будет равна напряжению сети Uс или немного больше. Под действием напряжения Uf в обмотке возбуждения появится ток If , который образует МДС возбуждения Ff, вращающуюся с частотой, близкой к синхронной n ≈ n1.

При взаимодействии вращающихся с близкими скоростями МДС Fa и Ff возникает синхронизирующий момент, за счет которого частота вращения ротора достигает частоты вращения МДС якоря (n = n1) и генератор втягивается в синхронизм.

Самосинхронизация требует значительно меньше времени, чем точная синхронизация, так как не нужно дожидаться уравновешивания напряжений сети и генератора.

При грубой синхронизации ЭДС машины и напряжение сети не уравнивают и взаимное расположение их векторов не проверяют.

Вследствие этого в обмотке якоря возникают токи, в несколько раз превышающие номинальный ток генератора. При самом неблагоприятном моменте включения машины в сеть бесконечной мощности, когда векторы ЭДС генератора и напряжения сети совпадают, по обмотке якоря проходит ток, вдвое превышающий ток короткого замыкания, что является основным недостатком грубой синхронизации. Для ограничения токов применяют добавочные сопротивления в цепи ротора (сопротивление RГ на рис. 7.26) или реакторы в цепи статорной цепи машины. Обычно грубую синхронизацию применяют при бросках тока не более 3,5 номинального.

Далее рассмотрим подробно режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной скорости вращения, который называют синхронным.

При рассмотрении этого режима будем считать, что сеть, к которой подключена рассматриваемая машина, является бесконечно мощной, т. е. напряжение и частота постоянны и не зависят от работы рассматриваемой машины. Для неявнополюсной машины, принятой для упрощения анализа, ток якоря определяется зависимостью

		Е	0-U	г		U
I	=		jxd		=		.	(7.86)
						jxd

Напряжение параллельно работающего генератора равно напряжению сети на его зажимах.

318

7. Синхронные машины

Регулирование реактивной мощности. Предположим, что при включении на параллельную работу генератора все условия синхрониза-

ции выполнены: Е0 = Uг = Uc; ток I = 0, и машина не примет на себя нагрузку (рис. 7.27, а).

С увеличением тока возбуждения возрастут поток Фf и ЭДС E0

(рис. 7.27, б).

Вследствие возникшей разности потенциалов между сетью и машиной U ≠ 0, по обмотке якоря потечет ток İ, отстающий практически на угол 90º от вектора U, поскольку сопротивление обмотки якоря практически индуктивное (сопротивление сети бесконечной мощности можно считать равным нулю). Продольная (размагничивающая) МДС якоря Fad уменьшает результи-

рующую МДС Fr и магнитный поток Фr , сцепленный с обмоткой якоря, до величины, близкой к прежнему значению при холостом ходе (см. рис. 7.27, б). Напряжение генератора Uг остается равным напряжению сети UC. Если в первом случае машину считать нормально возбужденной, то при ЭДС якоря Ef > Uс, синхронную машину называют перевозбужденной. В этом случае машинаотдаетв сетьчистоиндуктивныйтокиреактивнуюмощность.

При уменьшении тока возбуждения уменьшается поток Фf и ЭДС E0

будет меньше напряжения сети Uс (рис. 7.27, в). Разность потенциалов между напряжением и ЭДС сети U ≠ 0, по обмотке якоря потечет ток İ, отстающий от U на 90º. Он образует продольную намагничивающую МДС якоря Fad, которая усиливает результирующий магнитный поток Фr, сцепленный с обмоткой якоря, до его величины при холостом ходе. Напряжение машины U остается равным напряжению сети UC. Машину в этом случае следует назвать недовозбужденной.

Е0

Е	U	г					U	г		U	г
0										Е0
n						n
						U				n
Ff = Fr							Id (Fad )		Fr Ff
			= 0	Ff
	Id								Id(Fad )
					Fr
		nс					nc			U	nc
	Uc						U			U
							c			c
	а					б			в

Рис. 7.27. Регулирование тока возбуждения синхронной машины

319

7. Синхронные машины

Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины, работающей параллельно с сетью, вызовет в ней только реактивные токи или изменение реактивного тока и реактивной мощности. При равенстве активной мощности нулю перевозбужденная машина по отношению к сети эквивалентна емкости (отдает реактивную мощность в сеть), а недовозбужденная машина – индуктивности, потребляя из сети недостающую намагничивающую (реактивную) мощность.

Синхронная машина, не несущая активной нагрузки и загруженная реактивным током, называется синхронным компенсатором. Такие компенсаторы применяют для повышения коэффициента мощности и поддержания нормального напряжения в сетях. Недостаток реактивной мощности возникает вследствие потребления ее асинхронными двигателями, трансформаторами и другими приемниками для образования их магнитного поля.

Активная мощность Р2 = mUI cos φ = 0, так как при изменении тока возбуждения ток якоря чисто реактивный (угол между U и İ на рис. 7.27

равен π/2). Следовательно, изменение тока возбуждения позволяет регулировать только реактивную мощность синхронной машины.

Регулирование активной мощности. При включении машины спо-

собом точной синхронизации равные по модулю векторы ЭДС Ė0 и напряжения сети Uс вращаются с одинаковой частотой n = nс. Разность потенциалов между сетью и машиной U и ток якоря, а вместе с ним и электро-

магнитный момент равны нулю (М = 0, I = 0,). Ось полюса d	совпадает
c осью результирующего магнитного поля машины (рис. 7.28,	а), и про-

странственный угол между ними θг = 0.

Для того, чтобы работающая параллельно с сетью синхронная машина приняла на себя активную нагрузку и работала в режиме генератора, необходимо увеличить движущий механический момент на валу, увеличив, например, поступление воды или пара на турбину.

Тогда равенство моментов на валу нарушится, ротор генератора, а следовательно, и вектор ЭДС генератора E0 забегут вперед на некоторый

угол θГ (рис. 7.28, б). Ось d сместится от оси магнитного поля на угол θ. При этом возникнет ток (см. равенство (7.86)), вектор которого отстает от вектора U на 90º.

Как следует из рис. 7.28, б, в данном случае –90º < φ < +90º и
Р = mUI cosϕ > 0,	(7.87)

машина отдает в сеть активную мощность, т. е. работает в режиме генератора.

320

		U = jx I				7. Синхронные машины
Uг	= Е0			d			U = jxd I
n		Е0		900	Uг	Uг		Е0
			İ		φ	θ
					θ
	İ=0	θ> 0	U			θ< 0 φ		U
							900
	nc
	Uс				Uс	İ	Uс
d	Ось поля	d	θ>0		Ось поля	Ось поля		d
							θ< 0
nc	θ= 0	nc				nс
	S				S		S
n	N	n	N			n	N
М = 0			M				M
	а			б			в

Рис. 7.28. Диаграммы и взаимодействие магнитных полей синхронной машины в режимах: холостого хода (а); генератора (б); двигателя (в)

Возникающая при отдаче активной мощности поперечная МДС якоря Faq искажает магнитное поле в зазоре машины. Электромагнитные силы притяжения между статором и ротором стремятся совместить оси полюса ротора d и результирующего магнитного поля (оси полюсов N и S на рис. 7.28, б), уменьшая угол θ.

В генераторе возникает тормозной электромагнитный момент M, уравновешивающий механический вращающий момент, и частота вращения ротора n остается неизменной. Угол θ называют внутренним углом нагрузки и в генераторном режиме считают положительным.

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то вектор ЭДС отстанет от вектора напряжения на

некоторый угол θ, вектор тока İ будет отставать от вектора напряжения Uг

(рис. 7.28, в) на угол 90º < φ < 270º и машина будет работать в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети, развивая вращающий электромагнитный момент M. Внутренний угол нагрузки θ в двигательном режиме считают отрицательным.

321